Практикум 1. Состав топлива. Примеры задач

Расчет процессов горения
Практическое занятие №1 к курсу
«Основы энергетики»
Филинков Леонид Игоревич
Leonid_filinkov@mail.ru
Свойства топлива зависят главным
образом от его химического состава.
Основным элементом любого топлива
природного
происхождения
является
углерод (его содержание составляет от 30
до 85% массы). В состав топлива также
входят H, O, N, S, зола, влага
Практическая
ценность
топлива
определяется
количеством
теплоты,
выделяющейся при его полном сгорании.
Так, при сжигании 1 кг древесины
выделяется теплота, равная 10,2 МДж,
каменного угля - 22 МДж, бензина - 44
МДж. Эта величина прямо зависит от
содержания в топливе углерода и водорода
и обратно - от содержания кислорода и
азота.
Другая
важнейшая
характеристика
топлива - его жаропроизводительность,
оцениваемая значением максимальной
температуры, какую теоретически можно
получить при полном сгорании топлива в
воздухе. При сгорании дров, например,
максимальная температура не превышает
1600 ° С, каменного угля - 2050 °С, бензина 2100 ° С.
Элементарный состав твердых и
жидких топлив
Элементарный состав твердых и жидких
топлив записывается в виде суммы
содержания в них углерода C, водорода H,
кислорода O, серы S, азота N, золы A и
влаги W (в процентах). В зависимости от
того, какая масса топлива берется в расчет,
каждому
числу
присваивается
соответствующий надстрочный индекс:
Коэффициенты пересчета масс
топлива
Заданная масса
топлива
Масса топлива, на которую делается пересчет
Горючая
Сухая
Рабочая
100%  А
100%
с
Горючая
1
Сухая
100%
100%  Ас
Рабочая
100%
100%  (W р  А р )
1
100%
100%  W р
100%  (W р  А р )
100%
100%  W р
100%
1
• Пересчет элементарного состава топлива с
одной влажности (зольности) на другую
проводится по формуле:
Xp1 = xp*(100 – Wp1)/ (100 – Wp);
Xp1 = xp*(100 – Ap1)/ (100 – Ap).
Углерод
• Углерод является основным горючий элементом
топлива. Его содержание на горючую массу составляет:
в древесине и торфе 50-65%, в бурых углях 67-72%,
каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, т.е. с
увеличением геологического возраста твердого топлива
содержание в нем углерода повышается. Состав жидких
нефтяных топлив является достаточно стабильным и
содержание в них углерода на горючую массу
колеблется в узких пределах 86-87%.
•
Углерод характеризуется высокий удельным
тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода
выделяется 33600 кДж теплоты. Следовательно, углерод
по существу определяет тепловую ценность топлива.
Водород
• Водород является вторым важнейшим горючим
элементом топлива. Его содержание на горючую
массу составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 % , в
бурых углях около 5,0 %, в каменных углях 4,0-5,5 %
и антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных
топливах содержание водорода значительно выше
и на горючую массу составляет 10-12 %. Тепловая
ценность водорода почти в четыре раза выше
тепловой ценности углерода. При полном сгорании
1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания
выделяется 141500 кДж тепла, без учета
конденсации водяных паров 119000 кДж.
Сера
• Сера, является третьим, весьма нежелательным,
горючим элементом топлива. В общем случае сера
топлива состоит из серы органической (So), входящей в
топливо в виде органических соединений, серы
колчеданной (Sк), входящей в состав топлива в виде
колчедана (FeS2), и серы сульфатной (Sс), входящей в
топливо в виде, например, гипса (CaS04). Сера
органическая и колчеданная образуют серу горючую
(летучую) Sа = So + Sк. Сульфатная же сера не горит, и в
элементарном составе топлива включается в золу.
Содержание серы в топливах колеблется от 0 до
нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей
выделяется 9000 кДж тепла.
Кислород и азот
• Кислород и азот являются нежелательными
элементами топлива. Наличие их в топлива
снижает содержание горючих элементов.
Кислород, кроме того, связывает часть
горючих элементов топлива, обесценивает
его. Азот в топлива способствует
образованию в газообразных продуктах
сгорания окислов азота, обладающих
высокой токсичностью, значительно
превышающей токсичность окислов серы.
Зола
• Зола представляет собой смесь различных
минеральных веществ, которые остаются
после полного сгорания горючей часта
топлива. Содержание золы обычно дается на
сухую массу. Зольность жидких топлив
нормируется ГОСТами и по своему значению
невелика. Например, для дизельного топлива
не более 0,02%, для топочных мазутов не
более 0,30 %. В твердых топливах содержание
золы может достать значительных величин (до
30 % и более на сухую массу). Зола является
внешним балластом топлива.
Влага
• Влага относится к внешнему балласту топлива.
Наличие её (так же, как кислорода и азота)
уменьшает содержание горючей части
топлива. Это снижает тепловую ценность
топлива, а также увеличивает расходы на его
транспорт. Влага, кроме того, снижет полезное
тепловыделение топлива, поскольку часть
тепла
при
горении
расходуется
на
превращение её в пар. Это ведёт также к
понижению температурного уровня в зоне
горения и ухудшает условия теплообмена.
Расчеты горения топлива
Qpн = 339Cp + 1025Hp – 108,5 (Op – Sp) – 25Wp
кДж/кг
• Минимальное (теоретическое количество
воздуха,
необходимое
для
полного
сжигания 1 кг твердого или жидкого
топлива), находится по формуле (в м3/ кг)
V0 = 0,0889Cp + 0,265Hp – 0,0333 (Op – Sp)
Действительное количество воздуха
определяется произведением
коэффициента избытка воздуха α и
теоретического количества воздуха (в м3/кг)
Vд = αV0
Элементарный состав
газообразных топлив
• Элементарный состав газообразных топлив
обычно приводится как процентное
содержание отдельных газов: окиси
углерода CO, водорода H2, метана CH4,
этана C2H6, кислорода O2, азота N2 и т.д.
• Теплота сгорания газообразных топлив
подсчитывается (в МДж/ м3) как сумма
произведений теплоты сгорания отдельных
компонентов и их содержания в 1 м3
газообразного топлива:
Qcн = 0,126CO + 0,358СН4 + 0,58С2Н2 + 0,108Н2
+…
Минимальный (теоретический) объем
воздуха, необходимый для сжигания 1м3
газообразного топлива, ( м3/ м3)
V0 = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н2 + 1,5Н2S + ∑(m + n/ 4)CmHn – O2]
Теплотворная способность
некоторых топлив
Вид топлива
Теплотворная способность
твердого и жидкого топлива,
ккал/кг (средние значения)
Дрова с влажностью:
25%
30%
50%
3300
3000
2800
Торф кусковой (W=30%),
Торф брикетный
3000
4000
Подмосковный уголь
3000
Бурый уголь
4700
Каменный уголь
500 - 7200
Антрацит
7000
Нефть
10000
Мазут
9000-9700
Местные виды топлива: солома,
подсолнечная лузга, льняная
костра, опилки
3500-3800
1 ккал = 4,19 кДж
Примеры решения задач
Задача 1
• Определить количество воздуха,
теоретически необходимое для сжигания 1
кг следующего состава:
Сp = 37,2%; Нр = 2,6%; Sр = 0,6%; Nр = 0,4%; Ор
= 12%; Wp = 40%; Ар = 7,2%.
Решение
• V0 = 0,0889*37,2 + 0,265*2,6 – 0,033*(12,0 –
0,6) = 3,613 м3/кг
Задача 2
Определить состав рабочей массы топлива,
если в таблицах указан следующий состав
Ср = 38,6%; Нр = 2,6%; Sp = 3,8%; Np = 0,8%;
Ор = 3,1%; Wp = 11,0%; Ар = 40,1%, а
технический
анализ
показал,
что
действительная влажность составляет Wp1
= 16%. Какова при этом будет теплота
сгорания?
Решение
1. Пересчет элементарного состава топлива с
одной влажности на другую проводится по
формуле
Xp1 = Xp*((100 – Wp1)/ (100 – Wp));
Ср1 = 36,4%
Нр1 = 2,4%
Ор1 = 2,9%
Sp1 = 3,6%
Nр1 = 0,8%
Ар1 = 37%
2. Теплота сгорания по формуле Д.И.Менделеева
QpН1 = 339*Ср1 + 1025*Нр1 – 108,5*(Ор1 – Sp1) –
25Wp1 = 14,5 МДж/ кг.